CN115806443B

CN115806443B - 一种碳化硅基材的连接材料、制备方法和应用

Info

Publication number: CN115806443B
Application number: CN202310065945.0A
Authority: CN
Inventors: 柴杰; 叶明亮
Original assignee: Chengdu Ultra Pure Applied Material Co ltd
Current assignee: Chengdu Ultra Pure Applied Material Co ltd
Priority date: 2023-02-06
Filing date: 2023-02-06
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2043-02-06
Also published as: CN115806443A

Abstract

本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体涉及一种碳化硅基材的连接材料、制备方法和应用，一种碳化硅基材的连接材料，按质量百分含量计，原料包括：40%‑50%的碳化硅、10%‑20%的聚碳硅烷、20%‑30%的氧化铝和10%‑20%的碳化硼。本发明以碳化硅为填料，聚碳硅烷为粘结剂，氧化铝和碳化硼为反应助剂；通过加热实现聚碳硅烷转化为碳化硅晶体，碳化硅晶粒与碳化硅母材在温度和反应助剂的共同作用下进行反应，连接材料与母材形成一个整体。本发明提供的连接材料与母材热膨胀系数相近且高温性能稳定。

Description

一种碳化硅基材的连接材料、制备方法和应用

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体涉及一种碳化硅基材的连接材料、制备方法和应用。

背景技术

碳化硅作为一种重要的结构陶瓷材料，凭借其优异的高温力学强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨性、高导热、耐腐蚀性等性能，不仅应用于高温窑具、燃烧喷嘴、热交换器、密封环、滑动轴承等传统工业领域，还可作为空间反射镜、半导体晶圆制备中夹具材料及核燃料包壳材料。但由于碳化硅是以共价键结合为主的化合物，其固有的脆性使制备体积大而形状复杂的零件非常困难，因此通常需要通过陶瓷之间的连接技术来制取这些零部件。近年来，许多国家研究和开发了多种陶瓷连接技术，主要包括：活性金属钎焊法、热压扩散连接、过渡液相连接法、热压反应连接法等，但上述方法中连接材料大部分以金属材料为主，由于金属与陶瓷的热膨胀系数相差较大，在界面处易产生较大的残余热应力，使连接强度降低；同时又由于金属的熔点相对较低，限制了连接件在高温环境中的使用。因此，目前急需研究和开发与母材热膨胀系数相近且高温性能稳定的新型陶瓷连接材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：研究和开发与母材热膨胀系数相近且高温性能稳定的新型陶瓷连接材料，本发明提供了解决上述问题的一种碳化硅基材的连接材料、制备方法和应用。

本发明通过下述技术方案实现：

一种碳化硅基材的连接材料，按质量百分含量计，原料包括：40%-50%的碳化硅、10%-20%的聚碳硅烷、20%-30%的氧化铝和10%-20%的碳化硼。

本发明通过以碳化硅粉料作为连接材料的主要填料，以聚碳硅烷为粘结剂，氧化铝和碳化硼为反应助剂，从根本上解决了热膨胀系数与碳化硅母材不一致的问题。其中，聚碳硅烷设定温度范围内开始转化为碳化硅晶体。而碳化硅晶粒与碳化硅母材在高温和反应助剂的共同作用下进行一些高温化学反应和扩散反应，最终，连接材料与母材形成一个整体。碳化硼（B₄C）烧结助剂的添加能够降低SiC晶界能与表面能的比值，增强扩散的驱动力，而氧化铝（Al₂O₃）烧结助剂可以以固溶的方式活化晶格，促进致密化进行。碳化硅粉料的平均粒径优选为1μm~3μm。

进一步可选地，按质量百分含量计，原料包括：

45%-49%的碳化硅、15%-20%的聚碳硅烷、20%-25%的氧化铝和15%-20%的碳化硼。

进一步可选地，所述聚碳硅烷的数均分子量为1100~2000。本申请可采用现有的商业用聚碳硅烷。

进一步可选地，连接材料为固液混合物；还包括用于溶解聚碳硅烷的溶剂；优选溶剂包括二甲苯。优选本发明提供的连接材料整体固含量范围在65%~80%。

一种碳化硅基材的连接材料的制备方法，先将聚碳硅烷用有机溶剂溶解；溶解液与其他原料进行混合搅拌，获得碳化硅基材的连接材料；用于制备上述的一种碳化硅基材的连接材料。

进一步可选地，搅拌处理的转速为500rpm～800rpm，搅拌时间为1h~3h。

一种碳化硅基材的连接材料的应用，用于碳化硅陶瓷连接；碳化硅基材的连接材料采用上述的一种碳化硅基材的连接材料，或是采用上述的一种碳化硅基材的连接材料的制备方法制备获得。

进一步可选地，以碳化硅为填料，聚碳硅烷为粘结剂，氧化铝和碳化硼为反应助剂；通过加热实现聚碳硅烷转化为碳化硅晶体，碳化硅晶粒与碳化硅母材在温度和反应助剂的共同作用下进行反应，连接材料与母材形成一个整体。

进一步可选地，包括以下步骤：

先将聚碳硅烷用有机溶剂溶解；溶解液与其他原料进行混合，获得碳化硅基材的连接材料；

再将碳化硅基材的连接材料涂抹在碳化硅母材的连接处；

然后将工件放于惰性气体气氛炉中煅烧，如在氮气气氛炉中煅烧。

进一步可选地，升温到1500℃~1800 ℃时保温。优选保温时间为0.5~2h；升温速率为4℃/min~6℃/min。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过以碳化硅粉料作为连接材料的主要填料，以聚碳硅烷为粘结剂，氧化铝和碳化硼为反应助剂，从根本上解决了热膨胀系数与碳化硅母材不一致的问题。其中，聚碳硅烷在800~1200℃范围内开始转化为碳化硅晶体。而碳化硅晶粒与碳化硅母材在高温和反应助剂的共同作用下进行一些高温化学反应和扩散反应，最终，连接材料与母材形成一个整体。其中，高温化学反应见下列反应方程式：

。

2、本发明提供的连接材料，连接材料的热膨胀系数5.51~5.63×10^-6/k（RT~1200℃），而实验使用的碳化硅母材的热膨胀系数为4.84×10^-6/k（RT~1200℃），其热膨胀系数十分接近。连接材料在1200℃高温下的剪切强度为100～150MPa。

附图说明

图1为实施例1提供的连接成品的彩色3D激光显微镜图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种碳化硅基材的连接材料，原料组成为：50wt.%的碳化硅粉体，15wt.%的聚碳硅烷，20wt.%的氧化铝粉以及15wt.%的碳化硼粉，以上所用原料均为商业品。其中，碳化硅粉体的粒径为1μm~3μm。

先将聚碳硅烷用二甲苯溶解之后，与碳化硅粉、氧化铝和碳化硼进行混合搅拌。整个混合液体的固含量为75%，其中，各粉料的总和（碳化硅粉体，聚碳硅烷，氧化铝粉以及碳化硼粉）占75wt.%，二甲苯溶剂占25 wt.%。搅拌处理的转速为700 rpm，搅拌时间为1h。搅拌均匀后的混合物，作为连接材料。

将该混合物涂抹在碳化硅母材的连接处；然后将整个工件放于氮气气氛炉中煅烧，煅烧工艺为升温速度为6 ℃/min，升温到1800 ℃时保温0.5 h，实现碳化硅母材的连接。

实施例2

本实施例提供了一种碳化硅基材的连接材料，原料组成为：48 wt.%的碳化硅粉体，20wt.%的聚碳硅烷，22wt.%的氧化铝粉以及10wt.%的碳化硼粉，以上所用原料均为商业品。其中，碳化硅粉体的粒径为1μm~3μm。

先将聚碳硅烷用二甲苯溶解之后，与碳化硅粉、氧化铝和碳化硼进行混合搅拌。整个混合液体的固含量为80%，其中，各粉料的总和（碳化硅粉体，聚碳硅烷，氧化铝粉以及碳化硼粉）占80 wt.%，二甲苯溶剂占20 wt.%。搅拌处理的转速为800 rpm，搅拌时间为1 h。搅拌均匀后的混合物，作为连接材料。

将该混合物涂抹在碳化硅母材的连接处；然后将整个工件放于氮气气氛炉中煅烧，煅烧工艺为升温速度为6 ℃/min，升温到1750 ℃时保温0.5 h，实现碳化硅母材的连接。

实施例3

本实施例提供了一种碳化硅基材的连接材料，原料组成为：46wt.%的碳化硅粉体，18wt.%的聚碳硅烷，25wt.%的氧化铝粉以及11wt.%的碳化硼粉，以上所用原料均为商业品。其中，碳化硅粉体的粒径为1μm~3μm。

先将聚碳硅烷用二甲苯溶解之后，与碳化硅粉、氧化铝和碳化硼进行混合搅拌。整个混合液体的固含量为78%，其中，各粉料的总和（碳化硅粉体，聚碳硅烷，氧化铝粉以及碳化硼粉）占78 wt.%，二甲苯溶剂占22 wt.%。搅拌处理的转速为750 rpm，搅拌时间为1h。搅拌均匀后的混合物，作为连接材料。

该混合物涂抹在碳化硅母材的连接处经一定温度反应处理即可；然后工件放于氮气气氛炉中煅烧，煅烧工艺为升温速度为6 ℃/min，升温到1700 ℃时保温0.5 h，实现碳化硅母材的连接。

实施例4

本实施例提供了一种碳化硅基材的连接材料，原料组成为：45wt.%的碳化硅粉体，15wt.%的聚碳硅烷，20wt.%的氧化铝粉以及20wt.%的碳化硼粉，以上所用原料均为商业品。其中，碳化硅粉体的粒径为1μm~3μm。

先将聚碳硅烷用二甲苯溶解之后，与碳化硅粉、氧化铝和碳化硼进行混合搅拌。整个混合液体的固含量为72%，其中，各粉料的总和（碳化硅粉体，聚碳硅烷，氧化铝粉以及碳化硼粉）占72 wt.%，二甲苯溶剂占28 wt.%。搅拌处理的转速为650 rpm，搅拌时间为1h。搅拌均匀后的混合物，作为连接材料。

将该混合物涂抹在碳化硅母材的连接处；然后将整个工件放于氮气气氛炉中煅烧，煅烧工艺为升温速度为5 ℃/min，升温到1650 ℃时保温1 h，实现碳化硅母材的连接。

实施例5

本实施例提供了一种碳化硅基材的连接材料，原料组成为：44wt.%的碳化硅粉体，12wt.%的聚碳硅烷，30wt.%的氧化铝粉以及14wt.%的碳化硼粉，以上所用原料均为商业品。其中，碳化硅粉体的粒径为1μm~3μm。

先将聚碳硅烷用二甲苯溶解之后，与碳化硅粉、氧化铝和碳化硼进行混合搅拌。整个混合液体的固含量为70%，其中，各粉料的总和（碳化硅粉体，聚碳硅烷，氧化铝粉以及碳化硼粉）占70 wt.%，二甲苯溶剂占30 wt.%。搅拌处理的转速为600 rpm，搅拌时间为1h。搅拌均匀后的混合物，作为连接材料。

将该混合物涂抹在碳化硅母材的连接处；然后将整个工件放于氮气气氛炉中煅烧，煅烧工艺为升温速度为5 ℃/min，升温到1600 ℃时保温1 h，实现碳化硅母材的连接。

实施例6

本实施例提供了一种碳化硅基材的连接材料，原料组成为：42wt.%的碳化硅粉体，10wt.%的聚碳硅烷，30wt.%的氧化铝粉以及18wt.%的碳化硼粉，以上所用原料均为商业品。其中，碳化硅粉体的粒径为1μm~3μm。

先将聚碳硅烷用二甲苯溶解之后，与碳化硅粉、氧化铝和碳化硼进行混合搅拌。整个混合液体的固含量为68%，其中，各粉料的总和（碳化硅粉体，聚碳硅烷，氧化铝粉以及碳化硼粉）占68 wt.%，二甲苯溶剂占32 wt.%。搅拌处理的转速为550 rpm，搅拌时间为1h。搅拌均匀后的混合物，作为连接材料。

将该混合物涂抹在碳化硅母材的连接处；然后将整个工件放于氮气气氛炉中煅烧，煅烧工艺为升温速度为4 ℃/min，升温到1550 ℃时保温2 h，实现碳化硅母材的连接。

实施例7

本实施例提供了一种碳化硅基材的连接材料，原料组成为：40wt.%的碳化硅粉体，10wt.%的聚碳硅烷，30wt.%的氧化铝粉以及20wt.%的碳化硼粉，以上所用原料均为商业品。其中，碳化硅粉体的粒径为1μm~3μm。

先将聚碳硅烷用二甲苯溶解之后，与碳化硅粉、氧化铝和碳化硼进行混合搅拌。整个混合液体的固含量为65%，其中，各粉料的总和（碳化硅粉体，聚碳硅烷，氧化铝粉以及碳化硼粉）占65 wt.%，二甲苯溶剂占35 wt.%。搅拌处理的转速为500 rpm，搅拌时间为1h。搅拌均匀后的混合物，作为连接材料。

将该混合物涂抹在碳化硅母材的连接处；然后将整个工件放于氮气气氛炉中煅烧，煅烧工艺为升温速度为4 ℃/min，升温到1500 ℃时保温2 h，实现碳化硅母材的连接。

成品性能测试

1、测试方法：

（1）热膨胀系数：测试标准：GB/T 16535-2008精细陶瓷线膨胀系数试验方法。

（2）高温剪切强度：测试标准：ISO-19587-2021精细陶瓷（先进陶瓷先进技术陶瓷）-陶瓷复合材料在空气大气压下的高温下的机械性能-面内剪切强度的测定。

（3）连接状态微观检测：采用彩色3D激光显微镜拍摄，型号为VK-9700。

2、测试结果：

（1）如图1所示，为实施例1制备的成品的彩色3D激光显微镜拍摄图，其中连接厚度大概在143μm左右。

（2）如表1所示，给出了实施例1-7制备的成品的热膨胀系数和剪切强度检测结果。

表1实施例1-7制备的成品的热膨胀系数和剪切强度检测结果

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种碳化硅基材的连接材料，其特征在于，按质量百分含量计，原料组成为：

40%-50%的碳化硅、10%-20%的聚碳硅烷、20%-30%的氧化铝和10%-20%的碳化硼；

所述聚碳硅烷的数均分子量为1100~2000；碳化硅粉料的平均粒径为1μm~3μm；连接材料为固液混合物；还包括用于溶解聚碳硅烷的溶剂；

聚碳硅烷用于采用有机溶剂溶解；溶解液用于与其他原料进行混合，获得碳化硅基材的连接材料；碳化硅基材的连接材料用于涂抹在工件的碳化硅母材的连接处，工件经惰性气体气氛炉中煅烧实现连接；

煅烧温度为1500℃~1800℃，在该温度下实现聚碳硅烷转化为碳化硅晶体，以及碳化硅晶粒与碳化硅母材在温度和反应助剂的共同作用下进行反应，连接材料与母材形成一个整体。

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅基材的连接材料，其特征在于，按质量百分含量计，原料组成为：

3.一种碳化硅基材的连接材料的制备方法，用于制备权利要求1或2所述的一种碳化硅基材的连接材料，其特征在于，先将聚碳硅烷用有机溶剂溶解；溶解液与其他原料进行混合搅拌，获得碳化硅基材的连接材料。

4.根据权利要求3所述的一种碳化硅基材的连接材料的制备方法，其特征在于，搅拌处理的转速为500rpm～800rpm，搅拌时间为1h~3h。

5.一种碳化硅基材的连接材料的应用，其特征在于，用于碳化硅陶瓷连接；碳化硅基材的连接材料采用权利要求1或2所述的一种碳化硅基材的连接材料，或是采用权利要求3或4任一项所述一种碳化硅基材的连接材料的制备方法制备获得。

6.根据权利要求5所述的一种碳化硅基材的连接材料的应用，其特征在于，

以碳化硅为填料，聚碳硅烷为粘结剂，氧化铝和碳化硼为反应助剂；

通过煅烧实现聚碳硅烷转化为碳化硅晶体，碳化硅晶粒与碳化硅母材在温度和反应助剂的共同作用下进行反应，连接材料与母材形成一个整体。

7.根据权利要求5或6所述的一种碳化硅基材的连接材料的应用，其特征在于，包括以下步骤：

再将碳化硅基材的连接材料涂抹在碳化硅母材的连接处；

然后将工件放于惰性气体气氛炉中煅烧。

8.根据权利要求6所述的一种碳化硅基材的连接材料的应用，其特征在于，煅烧时，升温到1500℃~1800℃时保温，在该温度下实现聚碳硅烷转化为碳化硅晶体，以及碳化硅晶粒与碳化硅母材在温度和反应助剂的共同作用下进行反应，连接材料与母材形成一个整体。